เนื้อหาการสอนวิทยาการคำนวณ ชั้น.......

สถาปัตยกรรมคอมพวิ เตอร์ Microprocessor Architecture ประจาภาคเรียนท่ี 2-2562 A. Pongsaton Palee Department Computer Education, RRU

ECE306 สถาปัตยกรรมคอมพวิ เตอร์ 3(2-2-5) Microprocessor Architecture การศึกษาและปฏิบตั ิเก่ียวกบั โครงสร้างและหนา้ ที่ส่วนต่าง ๆ ของไมโคร โพรเซสเซอร์ ชุดคาสั่งของไมโครโพรเซสเซอร์ หลักการทางานของไอซี หน่วยความจาชนิด RAM และ ROM สถาปัตยกรรมของระบบไมโครโพรเซสเซอร์ กระบวนการของซีพียู การจดั ระบบการเชื่อมต่อวงจรของซีพียูกบั อุปกรณ์ภายนอก การใชก้ ลุ่มคาส่ังต่างๆ การติดต่อกบั อุปกรณ์อินพุตและเอาทพ์ ุต Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

เกณฑ์การตดั สินคะแนน (Grading)  การตัดเกรดจะใชเ้ กณฑ์การตดั สินแบบเกณฑร์ ะดบั มีรายละเอียดของคะแนนดงั ต่อไปนี้  1. การทาโครงงานจาลอง 30 %  2. แบบฝกึ หัด/การบ้าน/อ่นื ๆ (Practices/HW/etc.) 10 %  3. คะแนนเข้าเรียน 10 %  4. สอบกลางภาค (Midterm Exam) 20 %  5. สอบปลายภาค (Final Exam) 30 % รวมคะแนน 100 % Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

หวั ขอ้ การเรยี นรู้  ออร์กาไนเซชัน และสถาปัตยกรรม  โครงสร้าง และหน้าที่การทางาน  ประวัติสั้น ๆ ของคอมพิวเตอร์ คอมพิวเตอร์ยคุ ท่ีหนึ่ง : หลอดสุญญากาศ คอมพิวเตอร์ยคุ ท่ีสอง : ทรานซิสเตอร์ คอมพิวเตอร์ยคุ ที่สาม : ไอซี คอมพิวเตอร์ยคุ ท่ีสี่ : วงจรรวมสเกลขนาดใหญ่ และ วงจรรวมสเกลขนาดใหญ่มาก คอมพิวเตอร์ยคุ ต่อ ๆ มา

บทนา เคร่ืองคอมพิวเตอร์ มคี วามหลากหลายไม่ได้จากดั อย่แู ต่เพยี งราคาเท่าน้ัน แต่ยงั มี ความแตกต่างกันในด้านขนาด ประสิทธิภาพ และงานประยกุ ต์ท่ีใช้ การเปล่ียนแปลงท่ีเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว เป็ นตัวกาหนดเทคโนโลยีของเครื่ อง คอมพิวเตอร์ การเปล่ียนแปลงนี้เกิดขึ้นกับทุกส่ วนประกอบของเครื่ อง คอมพิวเตอร์ ตั้งแต่บอร์ ดที่เป็ นส่วนของแผงวงจรไฟฟ้าสาหรับการเชื่อมต่อ อุปกรณ์ต่าง ๆ เข้าด้วยกัน ไปจนถึงแนวความคิดในการประมวลผลแบบขนาน ของอปุ กรณ์ประกอบเหล่านั้น Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

ออร์กาไนเซชัน และสถาปัตยกรรม Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

โครงสร้างและหน้าทกี่ ารทางาน หน้าท่ีการทางาน โครงสร้ างและหน้าที่ของเครื่องคอมพิวเตอร์ โดยพื้นฐาน จะประกอบไปด้วย ส่วนประกอบหลกั ส่ีส่วน คือ  การประมวลผลข้อมลู (Data processing facility)  ส่วนเกบ็ บันทึกข้อมลู (Data storage facility)  ส่วนการเคล่ือนย้ายข้อมลู (Data movement apparatus)  ส่วนการควบคุม (Control mechanism) Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

ภาพแสดงองค์ประกอบเครื่องคอมพวิ เตอร์แบ่งออกตามหน้าทก่ี ารทางาน Operating environment (source and destination of data) Data movement apparatus Data Control Data storage mechanism processing facility facility Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

COMPUTER โครงสร้ าง  Storage คอมพิวเตอร์ มีการติดต่อกับสิ่งแวดล้อม  Processing ด้วยวิธีการอย่างใดอย่างหนึ่ง โดยทั่วไปแล้วส่วนท่ี เช่ือมต่อกับสิ่งแวดล้อมภายนอกทั้งหมดถูกจัดให้ เป็นอุปกรณ์ต่อพ่วง (peripherals) หรือสายส่ือสาร (communication lines) Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

โครงสร้างภายในเคร่ืองคอมพวิ เตอร์ โครงสร้ างภายในเครื่ องคอมพิวเตอร์ ระดับบนสุด COMPUTER มอี งค์ประกอบท่ีสาคัญ 4 อย่าง คือ COMPUTER  หน่วยประมวลผลกลาง (CPU: Central Processing Unit)  หน่วยความจาหลกั (main memory) Input/Output System Main memory  ไอโอ (I/O)  การเช่ือมต่อภายในเคร่ืองคอมพิวเตอร์ interconnection (system interconnection) Central processing A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU unit Microprocessor Architecture

โครงสร้างภายในเครื่องคอมพวิ เตอร์ COMPUTER อปุ กรณ์ท่ีน่าสนใจมากที่สุด และมคี วามสลับซับซ้อน System I/O Memory มากท่ีสุด คือ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) bus  ส่วนควบคมุ (Control unit) : CPU ทาหน้าท่ีควบคมุ การทางานของซีพียู CPU  ส่วนเอแอลยู (ALU: Arithmetic and Logic unit) : Registers Internal CPU ทาหน้าท่ีประมวลผลคาสั่งคณิตศาสตร์ และคาสั่งทางตรรกะ interconnection  รีจิสเตอร์ (registers) : Arithmetic Control unit and เป็นหน่วยบนั ทึกข้อมลู ภายในตวั ซีพยี ู logic unit  ส่วนเช่ือมต่อภายในซีพยี ู (CPU interconnection) : Microprocessor Architecture กลไกที่ช่ วยให้ ส่ วนประกอบท้ังสามส่ วนสามารถส่ื อสาร ระหว่างกนั ได้ A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

โครงสร้างภายในเครื่องคอมพวิ เตอร์ COMPUTER อปุ กรณ์ท่ีน่าสนใจมากที่สุด และมคี วามสลับซับซ้อน System I/O Memory มากท่ีสุด คือ หน่วยประมวลผลกลาง (CPU) bus  ส่วนควบคมุ (Control unit) : CPU ทาหน้าท่ีควบคมุ การทางานของซีพียู CPU  ส่วนเอแอลยู (ALU: Arithmetic and Logic unit) : Registers Internal CPU ทาหน้าท่ีประมวลผลคาสั่งคณิตศาสตร์ และคาสั่งทางตรรกะ interconnection  รีจิสเตอร์ (registers) : Arithmetic Control unit and เป็นหน่วยบนั ทึกข้อมลู ภายในตวั ซีพยี ู logic unit  ส่วนเช่ือมต่อภายในซีพยี ู (CPU interconnection) : Microprocessor Architecture กลไกที่ช่ วยให้ ส่ วนประกอบท้ังสามส่ วนสามารถส่ื อสาร ระหว่างกนั ได้ A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

ทาไมจงึ ต้องศึกษาเรื่องออร์กาไนเซชัน และสถาปัตยกรรม เหตผุ ลที่สนับสนุนในการศึกษาสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์ ได้แก่ 1. สามารถนาความรู้ที่ได้มาประยกุ ต์ใช้ในการประกอบอาชีพในอนาคตได้ เช่น นักศึกษา ก้าวเข้าไปสู่การทางานจริง และถูกต้ังคาถามเพื่อให้เลือกเครื่องคอมพิวเตอร์ ท่ีมีราคา ต่อประสิทธิภาพสูงสุดสาหรับการใช้งานในองค์กรขนาดใหญ่ การเพ่ิมค่าใช้จ่ายใน องค์ประกอบส่ วนต่าง ๆ เช่ น การใช้ Cache ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น หรื อการใช้ ซีพียทู ี่มีสัญญาณนาฬิกาสูงขึน้ จะมสี ่วน สาคัญในการตดั สินใจเป็นอย่างยิ่ง Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

ทาไมจึงต้องศึกษาเรื่องออร์กาไนเซชัน และสถาปัตยกรรม 2. ซีพียูจานวนหน่ึงไม่ได้พัฒนาขึ้นมาสาหรั บการใช้ งานในเครื่ องพีซี หรื อเครื่ อง เซิร์ พเวอร์ แต่เป็ นเคร่ืองที่ทางานเฉพาะด้าน ผู้ออกแบบอาจจะเขียนโปรแกรมโดย สร้างขึน้ มาสาหรับระบบเรียลไทม์หรือระบบขนาดใหญ่ 3. นิยามท่ีใช้ในสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์สามารถนาไปประยกุ ต์ใช้ในวิชาอ่ืน ๆ ได้ Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

ประวตั ขิ องคอมพวิ เตอร์ คอมพวิ เตอร์ยคุ ทห่ี น่ึง : หลอดสุญญากาศ เป็นการประดิษฐ์เคร่ืองคอมพิวเตอร์ที่มิใช่เครื่องคานวณ โดยเมาช์ลีและเอก็ เคอร์ ต (Mauchly and Eckert) ได้นาแนวความคิดมาประดิษฐ์ เป็ นเคร่ืองคอมพิวเตอร์ ท่ีม๊ ประสิทธิภาพมากเครื่องหนึ่งเรียกว่า ENIAC (Electronic Numericial Integrator and Calculator) ซึ่ งต่ อมาได้ ทาการปรั บปรุ งการทา งาน ของเครื่ องคอมพิวเตอร์ ให้ มีประสิ ทธิภาพดี ย่ิ ง ขึ้น แ ล ะ ไ ด้ ป ร ะ ดิ ษ ฐ์ เ ค รื่ อ ง UNIVAC (Universal Automatic Computer) ขึน้ เพ่ือใช้ใน การสารวจสามะโนประชากรประจาปี Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทห่ี นึ่ง : หลอดสุญญากาศ UNIVAC เป็ นเคร่ืองคอมพิวเตอร์ เคร่ืองแรกของโลกท่ีถูกใช้งานในเชิงธุรกิจ ซ่ึงนับเป็ นการเริ่มของเครื่องคอมพิวเตอร์ ในยคุ แรกอย่างแท้จริง เคร่ืองคอมพิวเตอร์ ในยคุ นี้ ใช้หลอดสุญญากาศในการควบคุมการทางานของเคร่ือง ซ่ึงทางานได้อย่างรวดเร็ ว แต่มี ขนาดใหญ่มากและราคาแพง ยคุ แรกของคอมพิวเตอร์ สิ้นสุดเม่ือมีผ้ปู ระดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ มาใช้แทนหลอดสุญญากาศ ลกั ษณะเฉพาะของเคร่ืองคอมพวิ เตอร์ยคุ ท่ี 1  ใช้อุปกรณ์ หลอดสุญญากาศ (Vacuum Tube) เป็ นส่วนประกอบหลกั ทาให้ตัวเครื่องมี ขนาดใหญ่ ใช้พลังงานไฟฟ้ามาก และเกิดความร้อนสูง  ทางานด้วยภาษาเครื่อง (Machine Language) เท่าน้ัน  เริ่มมกี ารพฒั นาภาษาสัญลกั ษณ์ (Assembly / Symbolic Language) ขึน้ ใช้งาน Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทส่ี อง : ทรานซิสเตอร์ มีการนาทรานซิสเตอร์ มาใช้ ในเคร่ื อง คอมพิวเตอร์ จึงทาให้ เคร่ื องมีขนาดเล็กลง และ สามารถเพ่ิมประสิทธิภาพในการทางานให้ มีความ รวดเร็วและแม่นยามากย่ิงขึน้ นอกจากนี้ ในยุคนีย้ ัง ได้มีการคิดภาษาเพ่ือใช้กับเครื่องคอมพิวเตอร์ เช่น ภาษาฟอร์ แทน (FORTRAN) จึงทาให้ ง่ายต่อการ เขยี นโปรแกรมสาหรับใช้กับเคร่ือง Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทส่ี อง : ทรานซิสเตอร์ ลกั ษณะเฉพาะของเครื่องคอมพิวเตอร์ ยคุ ท่ี 2  ใช้อุปกรณ์ ทรานซิสเตอร์ (Transistor) สร้ างจากสารกึ่งตัวนา (Semi-Conductor) เป็ นอุปกรณ์ หลัก แทนหลอดสุญญากาศ เนื่องจากทรานซิสเตอร์ เพียงตัวเดียว มี ประสิทธิภาพในการทางานเทียบเท่าหลอดสุญญากาศได้นับร้ อยหลอด ทาให้ เครื่อง คอมพิวเตอร์ ในยคุ นีม้ ีขนาดเลก็ ใช้พลังงานไฟฟ้าน้อย ความร้ อนตา่ ทางานเร็ว และ ได้รับความน่าเชื่อถือมากย่ิงขึน้  เกบ็ ข้อมลู ได้ โดยใช้ส่วนความจาวงแหวนแม่เหลก็ (Magnetic Core)  มีความเร็วในการประมวลผลในหน่ึงคาสั่ง ประมาณหนึ่งในพันของวินาที (Millisecond : mS)  สั่งงานได้สะดวกมากขึน้ เน่ืองจากทางานด้วยภาษาสัญลกั ษณ์ (Assembly Language)  เริ่มพฒั นาภาษาระดบั สูง (High Level Language) ขึน้ ใช้งานในยคุ นี้ Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทส่ี าม : ไอซี คอมพิวเตอร์ ในยุคนี้เริ่ มต้นภายหลังจากการใช้ ทรานซิสเตอร์ ได้เพีย ง 5 ปี เนื่องจากได้มีการประดิษฐ์คิดค้นเกี่ยวกับวงจรรวม (Integrated-Circuit) หรือเรียกกันย่อ ๆ ว่า \"ไอซี\" (IC) ซึ่งไอซีนีท้ าให้ส่วนประกอบและวงจรต่าง ๆ สามารถวางลงได้บนแผ่นชิป (chip) เลก็ ๆ เพียงแผ่นเดียว จึงมีการนาเอาแผ่นชิปมาใช้แทนทรานซิสเตอร์ ทาให้ประหยัด เนือ้ ท่ีได้มาก นอกจากนีย้ งั เร่ิมมีการใช้งานระบบจัดการฐานข้อมูล (Data Base Management Systems : DBMS) และมีการพัฒนาเครื่องคอมพิวเตอร์ ให้สามารถทางานร่ วมกันได้หลายๆ งานในเวลาเดียวกัน และมีระบบท่ีผู้ใช้สามารถโต้ตอบกับเคร่ืองได้หลายๆ คน พร้ อมๆ กัน (Time Sharing) Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทสี่ าม : ไอซี ลกั ษณะเฉพาะของเคร่ืองคอมพิวเตอร์ ยคุ ที่ 3  ใช้อุปกรณ์ วงจรรวม (Integrated Circuit : IC) หรือ ไอซี และวงจรรวมสเกลขนาดใหญ่ (Large Scale Integration : LSI) เป็นอุปกรณ์หลกั  ความเร็วในการประมวลผลในหนึ่งคาสั่ง ประมาณหน่ึงในล้านของวินาที (Microsecond : mS) (สูงกว่าเคร่ืองคอมพิวเตอร์ในยคุ ท่ี 1 ประมาณ 1,000 เท่า)  ทางานได้ด้วยภาษาระดับสูงทั่วไป Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทส่ี าม : ไอซี Microprocessor Architecture แสดงแนวความคิดหลกั ในการทางานของ แผงวงจรรวม หรือไอซี A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทส่ี ่ี : วงจรรวมสเกลขนาดใหญ่ (Large Scale Integration : LSI) และวงจรรวมสเกลขนาดใหญ่มาก (Very Large Scale Integration : VLSI) เป็ นยุคท่ีนาสารก่ึงตัวนามาสร้ างเป็ นวงจร รวมความจุสูงมาก (Very Large Scale Integrated : VLSI) ซ่ึงสามารถย่อส่วนไอซีธรรมดาหลายๆ วงจร เข้ามาในวงจรเดียวกัน และมีการประดิษฐ์ ไมโคร โพรเซสเซอร์ (Microprocessor) ขึน้ ทาให้เคร่ืองมี ขนาดเล็ก ราคาถูกลง และมีความสามารถในการ ทางานสูงและรวดเร็วมาก จึงทาให้ มีคอมพิวเตอร์ ส่วนบุคคล (Personal Computer) ถือกาเนิดขึน้ มา ในยคุ นี้ Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ทส่ี ี่ : วงจรรวมสเกลขนาดใหญ่ (Large Scale Integration : LSI) และวงจรรวมสเกลขนาดใหญ่มาก (Very Large Scale Integration : VLSI) ลกั ษณะเฉพาะของเคร่ืองคอมพิวเตอร์ ยคุ ท่ี 4  ใช้อุปกรณ์ วงจรรวมสเกลขนาดใหญ่ (Large Scale Integration : LSI) และ วงจรรวม สเกลขนาดใหญ่มาก (Very Large Scale Integration : VLSI) เป็นอุปกรณ์หลกั  มีความเร็ วในการประมวลผลแต่ ละคาส่ั ง ประมาณหนึ่งในพันล้ านวินาที (Nanosecond : nS) และพัฒนาต่อมาจนมีความเร็วในการประมวลผลแต่ละคาสั่ง ประมาณหนึ่งในล้านล้านของวินาที (Picosecond : pS) Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ปัจจบุ นั องค์ประกอบของระบบปัญญาประดษิ ฐ์ ประกอบด้วย 4 หัวข้อ ได้แก่ 1. ระบบหุ่นยนต์ หรือแขนกล (Robotics or Robotarm System) คือหุ่นจาลองร่ างกายมนุษย์ท่ีควบคุม ก า ร ท า ง า น ด้ ว ย เ ค ร่ื อ ง ค อ ม พิ ว เ ต อ ร์ มี จุดประสงค์ เพื่อให้ ทางานแทนมนุษย์ ในงานที่ ต้องการความเร็ว หรือเส่ียงอันตราย เช่น แขน กลในโรงงานอุตสาหกรรม หรื อหุ่นยนต์กู้ ระเบิด เป็นต้น Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ปัจจบุ ัน องค์ประกอบของระบบปัญญาประดษิ ฐ์ ประกอบด้วย 4 หัวข้อ ได้แก่ 2. ระบบประมวลภาษาพดู (Natural Language Processing System) คือ การพัฒนาให้ระบบคอมพิวเตอร์ สามารถสังเคราะห์ เสียงที่มีอยู่ในธรรมชาติ (Synthesize) เพื่อสื่อความหมายกับมนุษย์ เช่น เครื่องคิดเลขพูดได้ (Talking Calculator) หรือ นาฬิกาปลกุ พูดได้ (Talking Clock) เป็นต้น Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ปัจจบุ ัน องค์ประกอบของระบบปัญญาประดษิ ฐ์ ประกอบด้วย 4 หัวข้อ ได้แก่ 3. การรู้จาเสียงพูด (Speech Recognition System) คือ การพัฒนาให้ ระบบคอมพิวเตอร์ เข้าใจภาษามนุษย์ และสามารถจดจา คาพูดของมนุษย์ได้อย่างต่อเนื่อง กล่าวคือเป็ นการพัฒนาให้เคร่ืองคอมพิวเตอร์ ทางาน ได้ด้วยภาษาพูด เช่น งานระบบรักษาความปลอดภัย งานพิมพ์เอกสารสาหรับผู้พิการ เป็ นต้น Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คอมพวิ เตอร์ยคุ ปัจจบุ ัน องค์ประกอบของระบบปัญญาประดษิ ฐ์ ประกอบด้วย 4 หัวข้อ ได้แก่ 4. ระบบผ้เู ช่ียวชาญ (Expert System) คือ การพัฒนาให้ระบบคอมพิวเตอร์ มีความรู้ รู้จักใช้เหตุผลในการวิเคราะห์ ปัญหา โดยใช้ความรู้ที่มี หรือจากประสบการณ์ในการแก้ปัญหาหน่ึง ไปแก้ ไขปัญหา อื่นอย่างมีเหตุผล ระบบนีจ้ าเป็ นต้องอาศัยฐานข้อมูล (Database) ซึ่งมนุษย์ผู้มีความรู้ ความสามารถเป็ นผู้กาหนดองค์ ความรู้ไว้ในฐานข้อมูลดังกล่าว เพ่ือให้ ร ะบบ คอมพิวเตอร์ สามารถวิเคราะห์ ปั ญหาต่ างๆ ได้ จากฐานความรู้ นั้น เช่ น เคร่ื อง คอมพิวเตอร์วิเคราะห์โรค หรือเคร่ืองคอมพิวเตอร์ทานายโชคชะตา เป็นต้น Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

คาถามท้ายบท 1. นิยามของคอมพวิ เตอร์ในส่วนของโครงสร้างภายในเคร่ืองคอมพิวเตอร์ระดบั บนสุด ประกอบดว้ ยอะไรบา้ ง จงอธิบาย 2. จากรูป จงอธิบายแนวความคิดหลกั ในการทางานของแผงวงจรรวม หรือไอซี 3. ยคุ ของคอมพิวเตอร์มที ้ังหมดก่ียคุ อะไรบ้าง พร้อมทั้งอธิบายอย่างละเอียด Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU

THE END Microprocessor Architecture A. Pongsaton Palee ,Computer Education, RRU